BASKET: Bolometers At Sub-KeV Energy Thresholds

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Le projet BASKET vise à développer des détecteurs bolométriques pour la mesure du processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux. Ce programme de R&D détecteur est financé par le programme tranverse de compétence (PTC) du CEA ainsi que par le laboratoire d'excellence P2IO. BASKET s'articule autour de deux axes de recherche: la conception de nouveaux cristaux et le développement de capteurs thermiques haute performance alliant rapidité et haute résolution en énergie.

Introduction

Le projet BASKET vise à développer des détecteurs bolométriques basse température (DBBT) pour mesurer le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN). Bien que ce processus présente une section efficace 10 à 100 fois plus grande que celles des canaux de détection « classiques » utilisés en physique du neutrino, il a été observé pour la première fois en 2017 par la collaboration COHERENT [1], plus de 40 ans après sa prédiction [2]. Les reculs nucléaires induits par la DCNN sont en moyenne de quelques 10-100 eV. Le but du projet est de concevoir un DBBT présentant un seuil en énergie de 10 eV pouvant opérer en surface à proximité d'une centrale nucléaire. Les niveaux de bruits de fond intrinsèques au détecteur (radioactivité alpha/bêta, événements de surface) ne devront typiquement pas dépasser quelques 10 d-1kg-1keV-1 dans cette gamme d’énergie de recul. De plus, une attention particulière doit être portée aux bruits de fond neutrons, ces derniers induisant des reculs nucléaires en tout point identiques à ceux produits par la DCNN. Deux voies qui permettront de concevoir un prototype répondant à ces besoins sont ici explorées : la conception de nouveaux cristaux innovants à base de lithium, et les tests de senseurs thermiques haute performance.

Développement de nouveaux cristaux à base de lithium

Les cristaux à base de lithium présentent l'avantage de pouvoir s'appuyer sur la réaction 6Li(n,t)4He pour réaliser une identification et une spectroscopie des bruits de fond neutron lors d'une mesure de la DCNN. La section-efficace de la DCNN étant proportionnelle à N2, où N est le nombre de neutrons dans le noyau cible, des cristaux en Li2WO4 contenant des noyaux de tungstène riches en neutrons sont actuellement à l'étude. Un premier cristal de forme cylindrique (D = 12.5 mm x h = 5 mm) contenant du lithium en abondance naturelle et fabriqué par procédé Czochralski [3] a été mis en froid et testé cette année au CSNSM. Il a été couplé à un senseur thermique de type "Neutron Transmutation Doped" (NTD) pour sonder la voie chaleur, et un senseur Ge de lumière [4,5] pour sonder ses propriétés de scintillation. Les premiers résultats obtenus sont très concluants, démontrant que le Li2WO4 possède de bonnes propriétés bolométriques et de scintillation. D'autre part, un run d'étalonnage utilisant une source α de 210Po a permis de montrer que ce cristal était sensible au type de particule y déposant son énergie, séparant ici distinctement les dépôts d'énergie dus aux particules α (4He) et β (e+ ou e-) ou γ. Pour finir, les particules α de la réaction de capture des neutrons atmosphériques sur le 6Li (E = 4.8 MeV) ont clairement pu être distinguées, démontrant le pouvoir d'identification des neutrons du Li2WO4. L'ensemble de ces résutats a été présenté à la conférence Neutrino 2018, et font l'objet d'une publication en cours de préparation.

 

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(Gauche) Premier cristal de Li2WO4 testé au CSNSM avec son senseur thermique Ge-NTD et son détecteur de lumière. (Droite) Premières impulsions de lumière (rouge) et de chaleur (bleu) détectées en coincidence.

 

La suite du projet se concentre sur deux aspects: l'enrichissement des cristaux en 6Li pour maximiser le pouvoir d'identification des neutrons, et la fabrication de petits cristaux pour optmiser les seuils en énergie ainsi que les performances en temps.

Atteindre les plus basses énergies: tests de senseurs thermiques haute performance

To be completed soon...

 

Équipes

Références

[1] D. Akimov et al., 2017, Science 357 no.6356, 1123-1126 

[2] D. Z. Freedman, 1974, Phys. Rev. D9 1389-1392 

[3] O. Barinova et al., J. of Crystal Growth 458 (2017), 365-368

[4] V. Novati et al., Nucl. Instr. and Meth (2018), DOI: 10.1016/j.nima.2017.10.058

[5] L. Bergé et al. Phys. Rev. C (2018) 97, 032501

 

Contacts

#861 - Mise à jour : 05/11/2018

 

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